超高分辨柔性流場感知系統(tǒng)
與高速飛行的飛機(jī)不同，微小型無人機(jī)體積小，重量輕，飛行速度低，更容易受到環(huán)境湍流的影響，需要高靈敏度的小型氣流傳感器提供全面的空氣動(dòng)力學(xué)信息。如何讓微小型無人機(jī)像鳥類一樣感知和操縱氣流一直是航空和傳感器領(lǐng)域的難題。
面向微小型無人機(jī)的飛行參數(shù)測量，北航研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制出一種基于氧化釩的高靈敏度柔性流速傳感器，實(shí)現(xiàn)了0.11 mm/s和0.1°的超高流速和角度分辨力，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了攻角、側(cè)滑角和空速的多參數(shù)感知能力，并完成了微小型無人機(jī)飛行速度以及機(jī)翼微振動(dòng)的測量，為微小型無人機(jī)提供了低成本、高精度的大氣參數(shù)傳感方案。
該傳感器基于量熱式原理，由中心微加熱器產(chǎn)生恒定溫差，四周的熱敏電阻陣列測量溫度分布，根據(jù)熱敏電阻陣列測得的溫度差準(zhǔn)確反映流速大小及方向。采用懸空型隔熱結(jié)構(gòu)以及高電阻溫度系數(shù)材料氧化釩作為熱敏電阻以增大傳感器的測量靈敏度。在聚酰亞胺基底上通過MEMS工藝加工了總厚度90μm的超薄柔性流速傳感器，實(shí)現(xiàn)了微小型無人機(jī)的曲面貼附功能。經(jīng)風(fēng)洞測試，流速傳感器的理論分辨力達(dá)0.11 mm/s,流速測量重復(fù)精度約為測量值的0.5%，響應(yīng)時(shí)間約為20ms。在10 m/s時(shí)，流速傳感器的最大角度靈敏度為36.7 mV/deg，噪音水平為1.78 mV，根據(jù)2σ準(zhǔn)則計(jì)算出其理論角度分辨力為0.1°。
研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成流速傳感器工程化樣品的制備，并將兩個(gè)流速傳感器裝載到一個(gè)微小型無人機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行飛行參數(shù)感知應(yīng)用。結(jié)果表明平均飛行速度的估計(jì)誤差低于0.2 m/s。由于流速傳感器的高靈敏度特性，它甚至捕捉到了機(jī)翼的微振動(dòng)信息，并與外置IMU模塊顯示了相同的機(jī)翼振動(dòng)頻率。這項(xiàng)研究展示了一種柔性高靈敏度流速傳感器，拓寬了流場感知在微小型無人機(jī)姿態(tài)檢測、空速估計(jì)以及飛行安全監(jiān)測方面的應(yīng)用，為無人機(jī)的飛行參數(shù)測量提供了創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路與發(fā)展前景。
北京航空航天大學(xué)
2024-07-08
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